葉子航，張守誠(chéng)，肖 黎，屈文忠，沙寶林

(1.武漢大學(xué) 工程力學(xué)系，武漢 430072；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司四院四十一所，西安 710025)

0 引言

人工脫粘層是在固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體前后封頭特定部位絕熱層之間預(yù)先設(shè)計(jì)的應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)，主要功用是降低發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱內(nèi)孔、藥柱粘接界面等部位的應(yīng)力-應(yīng)變水平，使整個(gè)藥柱處于良好受力狀態(tài)然而在人工脫粘層根部會(huì)出現(xiàn)很高的應(yīng)力區(qū)，人工脫粘結(jié)構(gòu)很可能因?yàn)榻缑嬲龖?yīng)力過(guò)大而發(fā)生脫粘損傷，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性和可靠性。因此，對(duì)人工脫粘結(jié)構(gòu)界面狀態(tài)的監(jiān)檢測(cè)具有重要意義。

針對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)人工脫粘結(jié)構(gòu)界面脫粘問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了一系列研究。徐瑞強(qiáng)等通過(guò)計(jì)算頭部人工脫粘部位界面之間的接觸正應(yīng)力，對(duì)人工脫粘前緣部位進(jìn)行了脫粘分析。張曉宏等探討了人工脫粘層前緣的應(yīng)力水平及界面脫粘的快速近似計(jì)算方法。田俊良等利用三維有限元方法，研究了人工脫粘面蓋層與絕熱層之間的接觸滑動(dòng)問(wèn)題。劉偉等基于線性粘彈性有限元方法，研究了人工脫粘層在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變。張南南等提出了一種絕熱層脫粘的紅外無(wú)損檢測(cè)建模方法。高鳴等利用粘接應(yīng)力傳感器，設(shè)計(jì)了固體發(fā)動(dòng)機(jī)粘接界面應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。關(guān)楨等采用X射線照相和工業(yè)CT技術(shù)檢測(cè)了人工脫粘層根部脫粘的三維位置和尺寸。然而，傳統(tǒng)檢測(cè)方法如紅外檢測(cè)技術(shù)、X射線檢測(cè)技術(shù)、超聲檢測(cè)技術(shù)有時(shí)會(huì)受到結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，無(wú)法對(duì)人工脫粘層進(jìn)行原位、實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。近年來(lái)，一種新興的損傷監(jiān)檢測(cè)方法即機(jī)電阻抗法，利用粘貼于結(jié)構(gòu)表面的壓電傳感器及其機(jī)電耦合特性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的原位、實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)。作為一種結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法，機(jī)電阻抗法的應(yīng)用范圍非常廣泛。ZUO等將機(jī)電阻抗法用于管道裂縫檢測(cè)，并采用損傷指標(biāo)量化表征以確定損傷的程度和位置。KUZNETSOV等利用機(jī)電阻抗法成功識(shí)別直升機(jī)機(jī)翼的螺栓松動(dòng)。ROTH和NA等分別研究了使用機(jī)電阻抗法檢測(cè)航空結(jié)構(gòu)和玻璃環(huán)氧復(fù)合材料板的粘合層脫粘。此外，機(jī)電阻抗法還能用于監(jiān)測(cè)混凝土固化過(guò)程中的應(yīng)力和強(qiáng)度變化。

本文將機(jī)電阻抗法改進(jìn)為針對(duì)人工脫粘結(jié)構(gòu)的高頻局部振動(dòng)方法，并通過(guò)試件級(jí)實(shí)驗(yàn)，研究了高頻局部振動(dòng)方法在人工脫粘結(jié)構(gòu)界面脫粘監(jiān)檢測(cè)中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，界面脫粘將導(dǎo)致高頻局部振動(dòng)響應(yīng)曲線發(fā)生變化，且隨著脫粘程度的增大曲線變化越明顯。此外，研究發(fā)現(xiàn)高頻局部振動(dòng)方法具有較強(qiáng)的溫度敏感性。利用有效頻移方法基本消除了溫度對(duì)高頻局部振動(dòng)方法的影響，避免了損傷誤報(bào)。

1 高頻局部振動(dòng)方法的原理

高頻局部振動(dòng)方法采用壓電晶片粘貼布置在人工脫粘結(jié)構(gòu)上，如圖1所示。

測(cè)試系統(tǒng)中的信號(hào)激勵(lì)模塊以激勵(lì)信號(hào)使得壓電晶片產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，壓電晶片與人工脫粘結(jié)構(gòu)相互作用并產(chǎn)生包含結(jié)構(gòu)損傷信息的機(jī)械振動(dòng)耦合信號(hào)，機(jī)械振動(dòng)耦合信號(hào)通過(guò)所述壓電晶片傳輸至信號(hào)采集模塊并由系統(tǒng)軟件計(jì)算得到高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，最后通過(guò)比較健康狀態(tài)和損傷狀態(tài)下高頻局部振動(dòng)響應(yīng)曲線的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)人工脫粘結(jié)構(gòu)界面脫粘的原位、實(shí)時(shí)、在線監(jiān)檢測(cè)。

圖1 人工脫粘結(jié)構(gòu)高頻局部振動(dòng)方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of high-frequency local vibration method for stress release boot

其中，壓電晶片利用正逆壓電效應(yīng)同時(shí)作為驅(qū)動(dòng)器和傳感器，在忽略磁場(chǎng)和溫度影響的情況下，壓電晶片的壓電方程(式(1)為逆壓電效應(yīng)；式(2)為正壓電效應(yīng))可表示為

根據(jù)壓電效應(yīng)，壓電晶片在正弦交流電壓的激勵(lì)下產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械振動(dòng)，振動(dòng)傳入人工脫粘結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)耦合信號(hào)，機(jī)械振動(dòng)耦合信號(hào)經(jīng)過(guò)采集和處理得到高頻局部振動(dòng)響應(yīng)(Local vibration response,LVR)，其表達(dá)式為

(3)

式中()為高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)；j為虛數(shù)單位；為角頻率；為壓電晶片的電容；為平面耦合系數(shù)；為機(jī)電耦合系數(shù)；為施加在壓電晶片上的電場(chǎng)強(qiáng)度；為徑向耦合位移；為壓電晶片的半徑。

根據(jù)式(3)，高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)與結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，當(dāng)人工脫粘結(jié)構(gòu)發(fā)生界面脫粘損傷時(shí)，結(jié)構(gòu)參數(shù)和高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)將產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因此，可根據(jù)高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)人工脫粘結(jié)構(gòu)界面脫粘的原位、實(shí)時(shí)、在線監(jiān)檢測(cè)。

在評(píng)估人工脫粘結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)時(shí)，可直接觀察高頻局部振動(dòng)響應(yīng)曲線的變化，但得到的結(jié)果只是定性的。為更直觀明確地判斷人工脫粘結(jié)構(gòu)的狀況，有必要引入損傷量化指標(biāo)。本文采用均方根偏差(Root mean square deviation, RMSD)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷程度進(jìn)行量化表征。均方根偏差是計(jì)算數(shù)據(jù)偏差的一種統(tǒng)計(jì)方法，該方法通過(guò)直接計(jì)算偏差進(jìn)行損傷識(shí)別，其定義為

(4)

式中,1為人工脫粘結(jié)構(gòu)健康時(shí)測(cè)得的高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)；,2為人工脫粘結(jié)構(gòu)損傷時(shí)測(cè)得的高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)；為數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量。

的值越大，說(shuō)明兩組數(shù)據(jù)的差別越大，即表示損傷越嚴(yán)重。

2 人工脫粘結(jié)構(gòu)絕熱層/藥柱脫粘監(jiān)檢測(cè)

本節(jié)利用高頻局部振動(dòng)方法，進(jìn)行了人工脫粘結(jié)構(gòu)的絕熱層/藥柱界面脫粘監(jiān)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。圖2所示是絕熱層/藥柱試件，其中絕熱層的尺寸為185 mm×75 mm×2.6 mm，藥柱尺寸為120 mm×45 mm×20 mm。壓電晶片的型號(hào)為PZT-5A(STEMINC Ltd)，直徑為12 mm，厚度為0.6 mm。利用環(huán)氧樹(shù)脂膠將壓電晶片粘貼在試件的絕熱層外表面，并用Kapton膠帶對(duì)壓電晶片進(jìn)行防護(hù)。

(a)Top view

(b)Front view圖2 絕熱層/藥柱試件Fig.2 Insulator/propellant specimen

實(shí)驗(yàn)裝置采用壓電晶片原位高頻主動(dòng)激勵(lì)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的連續(xù)監(jiān)測(cè)和信號(hào)處理等功能。測(cè)試系統(tǒng)的型號(hào)為NI PXIe-1082，其中包括PXIe-6124采集/激勵(lì)模塊。系統(tǒng)軟件通過(guò)LabVIEW編程開(kāi)發(fā)，借助NI-DAQmx提供的硬件驅(qū)動(dòng)接口，可方便地對(duì)PXIe-6124的采集與激勵(lì)功能進(jìn)行控制編程。

結(jié)合每個(gè)頻率的正弦波頻域信號(hào)、機(jī)械振動(dòng)頻域信號(hào)，根據(jù)高頻局部振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算式得到第個(gè)頻率的高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)數(shù)組()：

(5)

()={(,1),(,2)，…，(,)，…，(,)}

∈[0,],∈[1,]

(6)

根據(jù)第個(gè)頻率的高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)數(shù)組()，可進(jìn)一步計(jì)算高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)數(shù)據(jù)集：

={(0,),(1,)…,(,),…(,)}

(7)

=()∈[0,]

(8)

式中為高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)數(shù)據(jù)集；(,)為數(shù)組()的第個(gè)元素；為測(cè)試系統(tǒng)的采樣頻率；為第個(gè)頻率的信號(hào)周期。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，共研究了以下4種工況：(1)無(wú)脫粘(完整狀態(tài))；(2)脫粘面積為30×45 mm；(3)脫粘面積為60×45 mm；(4)脫粘面積為90×45 mm。圖3展示了不同工況下的脫粘損傷位置，從虛線到左邊緣即為該工況的脫粘區(qū)域。

圖3 不同工況下的脫粘損傷位置Fig.3 Location of debonding damage under different working conditions

利用測(cè)試系統(tǒng)對(duì)壓電晶片持續(xù)施加2 V的激勵(lì)電壓，選取100～400 kHz的掃頻范圍，設(shè)置頻率點(diǎn)數(shù)為1001個(gè)，由壓電晶片測(cè)量得到高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，每種工況測(cè)量4次，經(jīng)過(guò)平均得到各種工況下的高頻局部振動(dòng)響應(yīng)曲線，如圖4所示。

圖4 高頻局部振動(dòng)響應(yīng)曲線Fig.4 High-frequency local vibration response curves

從圖4可看出，即使測(cè)試對(duì)象是高阻尼的絕熱層/藥柱試件，高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的頻率成分仍然較豐富，健康狀態(tài)下的響應(yīng)曲線與損傷工況下的響應(yīng)曲線存在明顯差異，并未出現(xiàn)共振峰數(shù)量過(guò)少、信號(hào)對(duì)損傷不敏感的現(xiàn)象。由于界面脫粘損傷的產(chǎn)生，曲線波峰和波谷處的值發(fā)生顯著的變化。界面脫粘程度越大，高頻局部振動(dòng)響應(yīng)曲線的差別越明顯。

本實(shí)驗(yàn)利用均方根偏差值()對(duì)不同工況下的界面脫粘損傷進(jìn)行定量分析。圖5是以工況1的高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)為基準(zhǔn)，根據(jù)式(4)計(jì)算得到工況2～工況4各次測(cè)量的損傷指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值，圖中各工況的4條顏色柱代表同種工況的重復(fù)測(cè)量。

圖5 不同工況的損傷指標(biāo)RMSD統(tǒng)計(jì)值Fig.5 RMSD statistics of damage index under different working conditions

圖5顯示了壓電晶片測(cè)得各工況的值，其中工況2多次測(cè)量的平均值為11.14%，工況3和工況4相應(yīng)的平均值分別為14.62%和15.03%，在工況3、工況4中，壓電晶片下方相應(yīng)位置的絕熱層已經(jīng)完全與藥柱分離，此時(shí)壓電晶片只與絕熱層發(fā)生耦合振動(dòng)作用，導(dǎo)致工況3、工況4的值相近，且相對(duì)工況2出現(xiàn)增長(zhǎng)，據(jù)此可判斷人工脫粘結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了絕熱層/藥柱界面脫粘。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用高頻局部振動(dòng)方法，通過(guò)比較不同工況下的高頻局部振動(dòng)響應(yīng)曲線和損傷統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)人工脫粘結(jié)構(gòu)絕熱層/藥柱界面脫粘的原位、實(shí)時(shí)、在線監(jiān)檢測(cè)。

3 溫度對(duì)高頻局部振動(dòng)方法的影響研究

3.1 溫度影響相關(guān)實(shí)驗(yàn)

為探究溫度對(duì)高頻局部振動(dòng)方法的影響，在溫變工況下對(duì)絕熱層/藥柱試件進(jìn)行了測(cè)試。將絕熱層/藥柱試件(規(guī)格與圖2相同)放入高低溫交變?cè)囼?yàn)箱(型號(hào)LRHS-504B-LJ)中，模擬環(huán)境溫度變化。通過(guò)壓電晶片原位高頻主動(dòng)激勵(lì)測(cè)試系統(tǒng)得到不同工況下的高頻局部振動(dòng)響應(yīng)曲線，各工況下溫度箱的溫度設(shè)置與脫粘損傷程度如表1所示。

表1 各工況下溫度箱的溫度設(shè)置與脫粘損傷程度

在每種工況下，將試件放置于高低溫交變?cè)囼?yàn)箱內(nèi)一段時(shí)間，待結(jié)構(gòu)整體溫度穩(wěn)定后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。激勵(lì)電壓設(shè)為2 V，掃頻范圍設(shè)為300～400 kHz，頻率點(diǎn)數(shù)1001個(gè)。圖6是H工況、T1～T3工況下的高頻局部振動(dòng)響應(yīng)曲線，體現(xiàn)了溫度對(duì)高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的影響。

圖6 溫度影響下完好試件的高頻局部振動(dòng)響應(yīng)曲線Fig.6 High-frequency local vibration response curves of intact specimensunder the influence of temperature

從圖6可看出，即使試件結(jié)構(gòu)處于健康狀態(tài)，高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)仍然發(fā)生了較大變化，隨著溫度的升高，曲線向左偏移而整體趨勢(shì)不變。與工況H相比，溫度差越大，曲線的偏移量越多。

為量化表征溫度、脫粘損傷對(duì)高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的影響，以工況H的高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)為基準(zhǔn)，根據(jù)式(4)計(jì)算得到工況T1～T3、工況D1～D3的損傷指標(biāo)，如圖7所示。

圖7 不同工況的損傷指標(biāo)RMSD統(tǒng)計(jì)值Fig.7 RMSD statistics of damage index under different working conditions

圖7顯示，當(dāng)溫差僅為6 ℃時(shí)，T1工況下的指標(biāo)即達(dá)到了14.8%，高于D1～D2損傷工況下的相應(yīng)指標(biāo)；T2工況下，溫差為8 ℃時(shí)，指標(biāo)為20.82%，已高于D1～D3損傷工況下的數(shù)值。綜合以上分析，高頻局部振動(dòng)方法具有較強(qiáng)的溫度敏感性，溫度變化會(huì)影響高頻局部振動(dòng)方法對(duì)于界面脫粘損傷的識(shí)別能力，若不采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施，將導(dǎo)致?lián)p傷誤報(bào)。

由于溫度變化會(huì)引起高頻局部振動(dòng)響應(yīng)曲線的整體偏移，因此可采用有效頻移方法，對(duì)溫度變化后的曲線進(jìn)行反向移動(dòng)，消除溫度影響。

當(dāng)高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)受溫度升高影響向左偏移時(shí)，具體的補(bǔ)償算法為

()()=-1(-)

(9)

同理，當(dāng)高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)受溫度降低影響向右偏移時(shí)，具體的補(bǔ)償算法為

()()=-1(+)

(10)

式中為測(cè)量的頻率步長(zhǎng)；下標(biāo)為迭代次數(shù)。

每迭代一次，通過(guò)式(4)計(jì)算變化后的高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)間的均方根偏差值。經(jīng)過(guò)充分迭代后，可獲得的最小值，使補(bǔ)償后的高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)間的差異降至最小，從而實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。

3.2 溫變工況下的脫粘損傷識(shí)別

結(jié)合上節(jié)所述溫度補(bǔ)償思想，進(jìn)行了溫變工況下的絕熱層/藥柱界面脫粘監(jiān)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。以溫度箱設(shè)置為20 ℃，試件結(jié)構(gòu)處于健康狀態(tài)時(shí)為基準(zhǔn)工況H，研究了不同工況下高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的變化，實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置

每種工況的掃頻區(qū)間仍為300～400 kHz，為驗(yàn)證溫度補(bǔ)償?shù)挠行?，將T1～T3工況(分別對(duì)應(yīng)24、32、36 ℃)的信號(hào)補(bǔ)償至20 ℃，補(bǔ)償前后的高頻局部振動(dòng)響應(yīng)曲線如圖8所示。由于平移會(huì)導(dǎo)致頻率邊界發(fā)生變化，因此截取320～400 kHz頻段進(jìn)行展示。

(a)Before temperature compensation

(b)After temperature compensation圖8 溫度補(bǔ)償前后的高頻局部振動(dòng)響應(yīng)曲線Fig.8 High-frequency local vibration response curves before and after temperature compensation

根據(jù)式(4)，將工況T1～T3、工況Q1～Q3、工況S1～S3、工況L1～L3直接與工況H相比較，可得到溫度補(bǔ)償前的損傷指標(biāo)；以工況H為基準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)，對(duì)上述各工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行平移后，計(jì)算得到溫度補(bǔ)償后的損傷指標(biāo)。圖9顯示了在24、32、36 ℃工況下溫度補(bǔ)償前后的值。

(a)24 ℃

(b)32 ℃

(c)36 ℃圖9 溫度補(bǔ)償前后不同工況的損傷指標(biāo)RMSD值Fig.9 RMSD statistics of damage indexunder different working conditions before and after temperature compensation

如圖9所示，工況T1～T3表示溫度變化對(duì)健康結(jié)構(gòu)的影響。對(duì)于24 ℃的各工況，溫度補(bǔ)償前僅有工況Q3的損傷指標(biāo)大于工況T1所對(duì)應(yīng)的損傷指標(biāo)，無(wú)法識(shí)別出工況Q1、Q2的損傷；對(duì)于32 ℃的各工況，溫度補(bǔ)償前僅有工況S2、S3的損傷指標(biāo)大于工況T2所對(duì)應(yīng)的損傷指標(biāo)，無(wú)法識(shí)別出工況S1的損傷；對(duì)于36 ℃的各工況，溫度補(bǔ)償前僅有工況L3的損傷指標(biāo)大于工況T3所對(duì)應(yīng)的損傷指標(biāo)，無(wú)法識(shí)別出工況L1、L2的損傷。

當(dāng)溫度補(bǔ)償算法作用于高頻局部振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)后，各工況下的損傷指標(biāo)均有一定程度的下降，表明溫度的影響得到了削弱。此時(shí)，工況Q1～Q3、S1～S3、L1～L3的損傷指標(biāo)分別大于工況T1、T2、T3的指標(biāo)，各溫度下三種不同程度的脫粘損傷均能識(shí)別出來(lái)。因此，溫度補(bǔ)償算法基本消除了溫度對(duì)高頻局部振動(dòng)方法的影響，避免了損傷誤報(bào)。

4 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，界面脫粘導(dǎo)致高頻局部振動(dòng)響應(yīng)曲線共振頻率發(fā)生偏移，且共振頻率點(diǎn)處峰值產(chǎn)生變化，損傷指標(biāo)值隨著界面脫粘程度的增大而增大，表明高頻局部振動(dòng)方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)人工脫粘結(jié)構(gòu)試件界面脫粘的原位、實(shí)時(shí)、在線監(jiān)檢測(cè)。

(2)研究溫度對(duì)高頻局部振動(dòng)方法的影響發(fā)現(xiàn)，高頻局部振動(dòng)方法具有較強(qiáng)的溫度敏感性，溫度影響可能造成損傷誤報(bào)。利用有效頻移方法對(duì)溫度變化后的高頻局部振動(dòng)響應(yīng)曲線進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了溫變工況下的界面脫粘損傷識(shí)別。